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高光谱成像技术在生物医学上的应用

高光谱成像技术在生物医学上的应用

1 高光谱成像的基本原理

高光谱成像技术是利用成像光谱仪对目标物体光谱覆盖范围内的数十或数百条谱线进行连续扫描成像,在获得目标物体外部特征图像信息的同时,也能获得反应其内部成分的光谱信息。典型推扫式高光谱成像系统的结构如图1所示,主要由光源、电控移动台、色散元件、面阵探测器等几部分组成。

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 1 推扫式高光谱成像系统

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2 三维高光谱图像及光谱

当光源照射在电控移动台上的目标样品时,样品反射光经过成像镜头、狭缝,再经由光栅等光学器件后,按波长色散并成像于CCD像面。由于狭缝只允许很窄的样品条带图像通过,因此当样品在电动平台的连续移动扫描下,能够得到连续的一维影像及光谱信息。所有的数据由计算机软件记录,进行处理后可以得到样品的三维高光谱图像(图2,X方向表示条带的一列像元、Y方向表示连续成像的轨迹、入方向代表各像元在不同波长下的光谱信息)。通过对高光谱图像进行特征提取、图像融合等,可以得到样品每个像素点的反射光谱,由于样品不同部位具有不同的特征光谱,据此可以分析和判断目标的属性

 

2 生物医学应用

2.1 体表组织和器官的疾病诊断

高光谱成像用于体表组织和器官的疾病诊断,主要包括眼睛、舌头、牙齿、乳腺、手足、皮肤等部位。


糖尿病致视网膜病变是最常见的糖尿病并发症,也是致盲的主要原因之一。李庆利等使用显微高光谱成像仪采集了正常、糖尿病大鼠视网膜组织切片的显微高光谱图像数据。通过提取样本外核丛透射光谱曲线进行对比分析,发现大鼠视网膜外核丛组织在400-800nm光谱范围内存在3个谱峰,且正常组织光谱曲线在波长为600nm附近的谱峰高于患病大鼠相同位置的谱峰。老年性黄斑变性AMD是老年人致盲的主要眼病之一。Julia等采用高光谱成像系统获取了正常、潜伏期及患病阶段小鼠视觉神经细胞的吸收光谱,发现与正常小鼠的视觉神经细胞光谱相比,潜伏期小鼠的吸收峰与正常小鼠的基本一致,但患病小鼠光谱的第二吸收峰分裂成了两个,这种吸收带的分裂预示着黄斑变性过程的发生

 

Liu等通过获取人体舌头肿瘤组织的高光谱图像,发现异常组织的光谱特征不同于正常组织。采用稀疏表示方法对样品癌变区域进行检测,其结果与病理学检测基本一致。并对包含有95个样本的肿瘤库进行分类识别,该方法的检测准确率达到96.5%

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3 a)正常视网膜组织和(b)患病组织的透射光谱图

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4 不同氧化状态的吸收光谱

李庆利等采用图谱结合算法对不同舌质的高光谱图像进行分割与舌图像假彩色合成,以获得图像的光谱曲线。研究表明正常舌质与胆囊炎疾病舌质舌苔在400-800nm的光谱范围内存在较大的差异。使用贝叶斯分类器等图像分析算法,进一步提高了舌象特征自动分析的准确性和实用性,初步建立了舌象和疾病的联系。

 

Zakian 等应用近红外高光谱成像系统获取不同病变程度龋齿的高光谱图像及反射光谱,发现牙齿病变区域的反射率高于健康区域,且两者之间的差异在1610nm处最为明显(图8).通过对样品的高光谱图像进行标定,可以得到病变的空间分布。

 

Vasefi 等利用高光谱角域成像系统获取体外乳腺组织样本的光谱信息,并结合主成分分析和马氏距离判别分析方法实现了对乳腺肿瘤组织的探测。

 

Greenman等使用高光谱成像系统研究糖尿病足患者以及正常人体前臂和脚的血红蛋白饱和度,发现糖尿病人皮肤的血红蛋白饱和度相比正常人减少。

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5 舌头癌变组织和正常组织的反射光谱

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6 a)临床诊断的肿瘤区域(b)分类器预测的肿瘤区域

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7a)正常舌质光谱(b)正常舌苔光谱(c)胆囊炎舌质光谱(d)胆囊炎舌苔光谱

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8 牙齿表面的近红外光谱反射率曲线(红色表示病变区域,蓝色表示损伤区域,黑色为健康区域)

 

Khaodhiar 等将高光谱成像用于预测糖尿病足溃疡愈合的临床研究中,灵敏度和特异性分别为93%86%.在此基础上,Yudovcky等提出将光谱范围为450-700nm的高光谱成像系统用于评估糖尿病足溃疡发展的风险和预测其愈合可能性的方法。

 

张栋等通过对正常人体不同部位进行高光谱成像与图像采集,在580-830nm波段范围内得到了较为清晰的面部与手部的高光谱图像,这将为中医面诊及手诊领域中的临床疾病诊断奠定相关技术基础。

 

Dicker 等用高分辨率显微高光谱成像系统对用常规苏木伊红染色的良性和恶性皮肤组织标本进行成像,发现正常皮肤、良性病变和恶性黑色素瘤病变的光谱特征不同,同时采用波形交叉相关分析方法对不同光谱进行分类,正确率超过85%Seroul等利用库贝尔卡-芒克模型与桑德森修正法结合人体皮肤的整个可见光谱图像对皮肤表皮厚度、黑色素体积分数、血液体积分数、血氧饱和度、胆红素体积分数等五个参数进行了定量测量,并在高光谱图像中对这些参数采取灰度标定,可观察皮肤的不同区域。

 

上述研究结果表明,高光谱成像系统可有效用于体表组织和器官疾病的检测与诊断。

 

2.2 体内组织和器官的疾病诊断

除了用于体表组织和器官疾病的检测与诊断外,高光谱成像也广泛地用于胃、前列腺、心肺以及动脉等体内组织和器官的疾病诊断。

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9 面部及手的高光谱图

 

Kiyotoki 等应用高光谱成像系统对胃部组织进行检测,发现在600-800 nm范围内肿瘤粘膜的平均光谱吸收率高于正常粘膜组织。利用肿瘤目标识别算法对光谱号进行评价和分类,分别获得了78.8%92.5%85.6%的灵敏度、特异性和检测准确率。

 

Akbari等分别提取了小鼠前列腺癌变组织与正常组织的特征光谱,并采用最小二乘法支持向量机方法对光谱信号进行了分类和评估,获取的癌变组织检测灵敏度与特异性分别达到了92.8%96.9%Chin等使用可见高光谱成像系统获取正常人和外周动脉疾病患者的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度,发现正常人和患者的氧合水平不同,据此可以诊断和评估外周动脉疾病。Larsen 等在人体大动脉组织研究中引入高光谱成像技术,以组织病理学结果作为参考标准,鉴别无水印动脉粥样硬化。

 

2.3 手术指导

能否准确的确定病变部位及其边缘位置将直接影响外科手术的成功。高光谱成像能够为外科医生提供病变区域在分子、细胞和组织水平上的图像信息。因此,高光谱成像系统已广泛用于各种外科手术中。

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10 癌变(虚线)和正常(实线)组织光谱

Panasyuk等使用高光谱成像在小鼠乳腺肿瘤切除手术床上成功检测出0.5-1mm的肿瘤残余,并成功的识别和区分肿瘤、血管以及结缔组织。进一步研究发现,相比于组织病理学检测,高光谱成像用于检测残余肿瘤的灵敏度和特异性达89%94%

 

Zuzak 等将近红外高光谱成像系统与腹腔镜整合用于猪的胆道成像,帮助外科医生在手术中划定肝十二指肠韧带解剖,有效的避免了胆管树的严重损害。

 

Holzer 等首次将以数字光处理(DLP)技术为基础的高光谱系统用于开放肾部分切除术中无损地测量肾实质血红蛋白饱和度以及确定肾门闭塞。等在机器人辅助的肾腔镜肾部分切除术利用基于DLP技术的高光谱成像系统表征肾脏氧合水平的时动态变化。2010年,Zuzak等在开放肾部分切除术以及其他外科手术中进一步测试系统的稳健性。

 

Akbari等在猪的腹部手术中利用高光谱成像系统作为视觉辅助工具用来检测肠道缺血以及器官解剖。

 

上述研究结果表明,作为一种手术视觉辅助工具,高光谱成像技术在提高手术成功率方面发挥了巨大的作用。

 

结语

综上所述,高光谱成像技术在疾病诊断和手术指导方面已获得重大进展,其可以作为一个基本的技术平台,用于开发新的非侵入性及快速检测人体疾病的手段和方法。高光谱图像集样本图像与光谱信息于一身,既可以反映样本大小、形状、缺陷等外部品质特征,又可以反映其内部物理结构、化学成分的差异,这些特点决定了高光谱成像技术在疾病诊断方面的独特优势。随着高光谱成像技术的不断发展与改进,其将在在生物医学领域发挥更大的作用。

 

 

 

 


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